一种用于改善润滑油性能的铜铝复合纳米颗粒的制备方法及使用该复合纳米颗粒的润滑油与流程

1.本技术涉及一种用于改善润滑油性能的铜铝复合纳米颗粒的制备方法及使用该复合纳米颗粒的润滑油。


背景技术：

2.多纳米颗粒是非常重要的功能性无机填料，广泛应用于塑料、橡胶、磁性、涂料和造纸等行业。纳米颗粒作为润滑油添加剂是最重要的应用之一。纳米颗粒可提高润滑油的抗磨减摩性能。然而，由于颗粒尺寸小和表面能高，它们倾向于团聚，导致颗粒处于非稳态热力学状态。纳米颗粒表面大多具有亲水性和极性，与有机介质的亲和性较差，限制了其作为润滑油添加剂的应用。因此，对纳米颗粒的表面改性进行了大量的研究。氧化铜(cuo)和氧化铝(al2o3)纳米颗粒作为润滑剂添加剂可表现出优异的抗磨减摩性能。ghalme等研究了含纳米al2o3颗粒添加剂的基础润滑油的润滑性能。当添加量为250n和0.5wt％的纳米al2o3时，基础油的摩擦学性能得到了最佳的改善。当基础润滑油中添加0.5wt％的纳米al2o3时，摩擦痕直径和摩擦系数分别降低了20.75％和22.67％。alimirzaloo等研究了氧化铜的润滑性能。最佳润滑情况与0.8％的cuo纳米颗粒有关，石蜡表面粗糙度为ra1/4-0.815mm。与不添加添加剂的基础润滑剂相比，石蜡的粗糙度降低了41％。研究还发现，当添加两种或两种以上的纳米颗粒润滑剂添加剂时，存在不同的相互作用，如加合作用、协同作用、拮抗作用等。因此，如何发挥多种添加剂的正向复合作用，降低其反向作用，显得尤为重要。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本技术一方面公开了一种用于改善润滑油性能的铜铝复合纳米颗粒的制备方法，包括如下步骤：
4.得到无机铝的醇溶液作为溶液a；
5.得到有机铜的醇溶液作为溶液b；
6.将溶液a和溶液b混合后加入油酸得到混合溶液；
7.将无机碱的醇溶液加入到混合溶液当中得到反应液；
8.将反应液进行充分搅拌后进行加热加压反应，过滤清洗得到复合纳米材料。
9.优选的，所述溶液a按照如下方法制备得到：将1.5-2.5mol的alcl3加入到90-110ml的乙醇当中，进行超声分散，直至底部的粘稠胶体全部溶解，超声分散的时间不低于30min。
10.优选的，在溶液a中的粘稠胶体全部溶剂之后，再加入2-4g的peg400。
11.优选的，所述溶液b按照如下方法制备得到：将0.8-1.2mol的cu(ac)2加入到90-110ml的乙醇当中，在搅拌的情况下加入3-5g的三乙醇胺，持续搅拌直至cu(ac)2全部溶解。
12.优选的，所述无机碱的醇溶液按照如下方法制备得到：将1-2g的氢氧化钠加入到乙醇当中，并利用超声波分散，直接强氧化钠全部溶解。
13.优选的，溶液a和溶液b混合按照如下方式进行：首先将溶液a和溶液b混合，然后加入无机碱的醇溶液，直至ph到5。
14.优选的，加热加压反应按照如下方式得到：
15.将反应液在加热的情况下加热到75-80℃，然后持续搅拌时间不少于4h，然后将反应液加入到热压釜中，反应温度为140-150℃，反应时间不低于3h，反应压力为4-5mpa。
16.另一方面，本技术还公开了一种润滑油，包含根据权利要求1-7的方法得到的铜铝复合纳米颗粒。
17.优选的，所述铜铝复合纳米颗粒的质量份数为0.05-0.5wt％。
18.优选的，所述铜铝复合纳米颗粒的质量份数为0.1wt％。
19.本技术能够带来如下有益效果：本文采用非水解溶胶一步法制备了cuo/al2o3纳米复合材料并对其进行了改性。将油酸大分子链成功地包覆在纳米复合材料表面，大大降低了纳米复合材料的团聚。将改性cuo/al2o3纳米复合材料以0.1wt％的优化浓度加入润滑油中，摩擦副的平均cof降低了38.6％，wsd降低了39.1％。这是由于纳米复合粒子的协同作用。在油轴承颗粒的作用下，滑动摩擦变为滚动摩擦，从而降低了摩擦系数。随着纳米颗粒的沉积，摩擦副的表面磨损减小。研究结果对降低能源消耗和环境可持续发展具有重要意义。
附图说明
20.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
21.图1为纳米颗粒的x射线衍射图，其中(a)cuo/al2o3纳米复合材料(b)al2o3纳米颗粒(c)cuo纳米颗粒；
22.图2为cuo/al2o3纳米复合材料的sem图像，其中(a)未改性cuo/al2o3纳米复合材料(b)改性cuo/al2o3纳米复合材料；
23.图3为cuo/al2o3纳米复合材料的红外光谱；
24.图4为含cuo/al2o3纳米复合材料的润滑油吸光度曲线；
25.图5为不同浓度纳米颗粒下cof随时间的变化，其中(a)al2o3(b)cuo(c)不同浓度下cuo/al2o3的cof随时间的变化浓度；(d)不同浓度添加剂对cof的降低；
26.图6为不同浓度cuo/al2o3下实验后球的磨斑直径，其中(a)0wt％(b)0.05wt％(c)0.1wt％(d)0.5wt％(e)1wt％；
27.图7为不同浓度al2o3和cuo下实验后球的磨斑直径以及对磨斑直径的减少作用，其中(a)不同浓度al2o3和cuo下实验后球的磨斑直径(b)在不同浓度的添加剂下，对磨斑直径的减少作用；
28.图8为sem和能谱仪(eds)对摩擦副表面进行了分析，其中(a)纯润滑油和(b)0.1wt％纳米复合材料润滑的摩擦副表面sem图像。(c)和(d)来自(a)和(b)中红色十字区域对应的能量色散光谱仪(eds)。(e)和(f)来自(b)中红色点框的eds测绘图。
具体实施方式
29.为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本技术进行详细阐
述。
30.试验过程
31.cuo/al2o3纳米复合材料的制备与改性
32.实验方法如下：(1)将100ml乙醇倒入干净干燥的200ml烧杯a中，称取2mol alcl3加入溶液a中，超声分散30min，直至a烧杯底部粘稠胶体完全溶解，磁搅拌将2g peg400加入a溶液中。(2)将100ml乙醇注入干净干燥的400ml烧杯b中，称取1mol cu(ac)2加入溶液b中，磁搅拌将3g三乙醇胺加入溶液b中，直至cu(ac)2完全溶解。(3)将烧杯a倒入烧杯b中，然后用磁力搅拌将油酸加入到烧杯b中。(4)将测得的50ml乙醇倒入100ml干净干燥的烧杯c中，然后在烧杯c中加入1g naoh，用超声波分散，直到naoh溶解。(4)将氢氧化钠与乙醇的混合溶液倒入烧杯b中，调整ph值至5。(5)设定搅拌温度为75℃，对烧杯b搅拌时间为4h，然后将b溶液加入到热压釜中，设定反应温度为140℃，反应时间为3h，反应压力为4mpa。制备了cuo/al2o3纳米复合材料，这是编号1、编号4-5改性的实验具体方式。
33.对于编号2，实验方法如下：(1)将90ml乙醇倒入干净干燥的200ml烧杯a中，称取1.5mol aicl3加入溶液a中，超声分散30min，直至a烧杯底部粘稠胶体完全溶解，磁搅拌将2g peg400加入a溶液中。(2)将90ml乙醇注入干净干燥的400ml烧杯b中，称取0.8mol cu(ac)2加入溶液b中，磁搅拌将3g三乙醇胺加入溶液b中，直至cu(ac)2完全溶解。(3)将烧杯a倒入烧杯b中，然后用磁力搅拌将油酸加入到烧杯b中。(4)将测得的50ml乙醇倒入100ml干净干燥的烧杯c中，然后在烧杯c中加入1g naoh，用超声波分散，直到naoh溶解。(4)将氢氧化钠与乙醇的混合溶液倒入烧杯b中，调整ph值至5。(5)设定搅拌温度为75℃，对烧杯b搅拌时间为4h，然后将b溶液加入到热压釜中，设定反应温度为140℃，反应时间为3h，反应压力为4mpa。
34.对于编号3，实验方法如下：(1)将110ml乙醇倒入干净干燥的200ml烧杯a中，称取2.5mol alcl3加入溶液a中，超声分散30min，直至a烧杯底部粘稠胶体完全溶解，磁搅拌将4g peg400加入a溶液中。(2)将110ml乙醇注入干净干燥的400ml烧杯b中，称取1.2mol cu(ac)2加入溶液b中，磁搅拌将5g三乙醇胺加入溶液b中，直至cu(ac)2完全溶解。(3)将烧杯a倒入烧杯b中，然后用磁力搅拌将油酸加入到烧杯b中。(4)将测得的50ml乙醇倒入100ml干净干燥的烧杯c中，然后在烧杯c中加入2g naoh，用超声波分散，直到naoh溶解。(4)将氢氧化钠与乙醇的混合溶液倒入烧杯b中，调整ph值至5。(5)设定搅拌温度为80℃，对烧杯b搅拌时间为4h，然后将b溶液加入到热压釜中，设定反应温度为150℃，反应时间为3h，反应压力为5mpa。
35.除加入油酸外，还按上述步骤制备了未改性的cuo/al2o3纳米复合材料，编号也是对应设置。
36.以下的实验对象为编号1改性和编号1未改性进行实验得到的表征结果。
37.摩擦实验
38.将改性cuo/al2o3纳米复合材料添加到基础润滑油(#20，40℃下运动粘度为24.38mm2/s)中，在不同的浓度分数(质量浓度分别为0.05wt％、0.1wt％、0.5wt％和1wt％)下进行改性。将油液用超声波分散30min，得到纳米油。纳米复合材料很好地分散在润滑油中(至少四个月没有沉淀)。不同浓度下，润滑油粘度变化不大。
39.摩擦学性能由四球试验机(济南mmu-10g)进行测试。钢球是直径为12.7mm的gcr15
轴承钢。室温下，转速1200rpm，加载392n，试验30min。实验过程中，4个钢球在油样中完全浸润，摩擦系数(cof)自动记录。每个浓度的cof测量三次，取平均值以保证数据的准确性。摩擦实验结束后，用石油醚清洗摩擦副表面2次，再用酒精清洗3次。用金相显微镜观察了钢球表面的磨损疤痕直径。同时，利用发射扫描电镜对摩擦副表面形貌和元素含量进行了分析。
40.仪器分析
41.通过吸附变化趋势和沉降试验研究了纳米复合材料在润滑油中的分散稳定性。将cuo/al2o3纳米复合材料以0.5wt％的浓度添加到润滑油中。用紫外分光光度计在190nm光源下测定了未改性和改性纳米颗粒对润滑油的吸光度。同时，将基础润滑油和纳米油置于室温下，比较纳米颗粒在润滑油中的沉积情况。
42.采用x射线衍射仪、激光粒度分析仪和zeta电位分析仪对cuo/al2o3纳米复合材料进行了分析。通过扫描电子显微镜(sem)发现，cuo/al2o3纳米复合材料的分散性得到了改善。用傅立叶变换红外光谱(ftir)对形成的共价带进行了验证。通过仪器分析，观察了纳米复合材料的粒径、形貌和晶体结构。最后，获得了cuo/al2o3纳米复合材料的改性效果，并研究了cuo/al2o3纳米复合材料作为润滑油添加剂的减摩抗磨效果。
43.结果与讨论.
44.xrd分析
45.图1为粉体的
×
射线衍射(xrd)图。(b)和(c)为对比效果。由图(a)可以看出，cual2o4的衍射峰出现在2θ＝37.1
°
和43.2
°
。在2θ＝35.5
°
和38.7
°
时，cuo得到了衍射峰，同时在2θ＝48.7
°
和65.2
°
时，al2o3得到了衍射峰。这表明cuo/al2o3纳米复合材料包括cuo、al2o3和cual2o4。
46.粒度分析
47.表1 cuo/al2o3纳米复合材料的平均粒径数据(nm)
[0048][0049]
用激光粒度分析仪测试了未改性和改性纳米颗粒的粒径。为了保证数据的准确性，每个数据都进行了5次测试，然后取平均值。由表1可以看出，在未改性的情况下，cuo/al2o3纳米复合材料的平均尺寸为95nm。改性后，纳米复合材料的平均尺寸减小到89nm。由于油酸与cuo/al2o33纳米复合材料之间形成了新的化学键，打破了纳米颗粒之间的相互作用，有效地控制了团聚。
[0050]
扫描电子显微镜形貌分析
[0051]
为了表征试样的详细形貌信息，分别获得了未改性cuo/al2o3纳米复合材料和改性cuo/al2o3纳米复合材料的sem图像，如图2所示。与原生cuo/al2o3纳米复合材料相比，改性后的cuo/al2o3纳米复合材料的团聚现象大大减少。这是因为改性剂吸附在粒子表面，在cuo/al2o3纳米复合材料表面接枝大分子链带来相互排斥和空间位阻效应，从而降低了粒子的表面能。以上结果进一步说明油酸在cuo/al2o3纳米复合材料的分散过程中发挥了重要作用。
[0052]
红外光谱分析
[0053]
图3为未改性的cuo/al2o3纳米复合材料和经油酸改性后的cuo/al2o3纳米复合材料的典型红外光谱。从ftir光谱来看，1100cm-1
的吸收峰对应的是c-o-c化学键，这是生成醚的更多证据。结合x射线衍射图，机理如下：
[0054]
5c2h5oh 2alcl3 cu(ac)2→
al2o3.cuo 3c2h5cl c2h5oc2h5 3hcl 2hac
[0055]
ftir光谱显示，593cm-1
峰为ch＝ch部分的c-h面外弯曲模态。883cm-1
峰属于o-h弯曲模式，1694cm-1
峰属于c＝o拉伸模式。这三个峰是油酸的特征红外光谱。红外光谱结果表明，油酸成功地修饰了cuo/al2o3纳米复合材料的表面。
[0056]
复合材料的分散稳定性
[0057]
表2 cuo/al2o3纳米复合材料的zeta电位数据(mv)
[0058][0059]
cuo/al2o3纳米复合材料的zeta电位绝对值见表2。未改性cuo/al2o3纳米复合材料的zeta电位数据为2.93mv。而改性cuo/al2o3纳米复合材料的zeta电位数据为5.56mv。这表明，改性cuo/al2o3纳米复合材料的静态驱避性能比未改性的cuo/al2o3纳米复合材料强。用油酸大分子对纳米复合材料的表面进行了改性，提高了其团聚性能。
[0060]
分别测定了含有未改性和改性纳米颗粒的润滑油的吸光度，如图4所示。经过32h后，改性cuo/al2o3纳米复合材料对润滑油的吸收率趋于稳定。然而，加入未改性的cuo/al2o3纳米复合材料后，润滑油的吸光度仍在持续下降。结果表明，改性后的cuo/al2o3纳米复合材料在润滑油中具有良好的分散性能。
[0061]
将油在室温下存放4个月，在润滑油中加入未改性的cuo/al2o3纳米复合材料时，纳米颗粒与润滑油之间存在明显的分层现象。这是由于纳米颗粒的表面是无机相，不能有效地与润滑油融合。这种纳米复合材料在重力作用下迅速从润滑油中分离并下沉。改性后的cuo/al2o3纳米复合材料仍能很好地分散在润滑油中。这是因为纳米颗粒的表面被油酸成功改性，表面由无机相转变为有机相，从而在润滑油中保持良好的单分散性。
[0062]
摩擦实验
[0063]
图5为不同浓度纳米颗粒下cof随时间的变化。当纳米颗粒浓度小于0.1wt％时，cof随纳米颗粒浓度的增加而降低。当添加浓度大于0.1wt％时，cof开始增加，如图5所示。因此，只有当纳米复合材料的添加量在最佳浓度范围内时，减摩效果更好。当添加0.1wt％al2o3纳米颗粒时，cof下降最大，达到21.7％(图5(a))。而0.1wt％cuo纳米颗粒的最大cof降幅仅为14％。即使在浓度为1wt％时，摩擦系数也增加了。这表明al2o3的减摩性能优于cuo。在本文中，当cuo/al2o3纳米复合材料的添加量为0.1wt％时，减摩效果最好，平均cof降低了38.6％(图3)。
[0064]
实验结束后，将球放在金相显微镜上，测量球的磨斑直径，如图6和图7所示。我们可以发现，当cuo/al2o3纳米复合材料浓度为0.1wt％时，球的wsd小于其他浓度这是跌幅最大的时候，达到39.1％。添加al2o3和cuo纳米颗粒后，最大还原量分别达到14％和23％(图7)。
[0065]
机理分析
[0066]
本研究制备的纳米复合材料为球形，可以将摩擦过程由滑动摩擦转变为滚动摩擦，从而降低cof。纳米复合材料的粒径较小，在摩擦过程中容易沉积在摩擦副表面，从而起到良好的抗磨效果。
[0067]
为了阐明纳米复合材料的抗磨减摩机理，采用sem和能谱仪(eds)对摩擦副表面进行了分析。在无纳米添加剂的情况下，摩擦副表面粗糙不平(图2)。在润滑油中加入纳米粒子，摩擦试验后摩擦副表面变得光滑，并发现纳米粒子在摩擦副表面沉积(图2)。这是纳米颗粒对摩擦副修复作用的具体体现。摩擦副表面元素的含量和分布也证实了这一观点(图8(c-f))。对摩擦副表面的化学成分进行eds分析，发现cu和al元素信号明显，表明在摩擦过程中cuo和al2o3形成了摩擦膜。
[0068]
结论
[0069]
本文采用非水解溶胶一步法制备了cuo/al2o3纳米复合材料并对其进行了改性。将油酸大分子链成功地包覆在纳米复合材料表面，大大降低了纳米复合材料的团聚。将改性cuo/al2o3纳米复合材料以0.1wt％的优化浓度加入润滑油中，摩擦副的平均cof降低了38.6％，wsd降低了39.1％。这是由于纳米复合粒子的协同作用。在油轴承颗粒的作用下，滑动摩擦变为滚动摩擦，从而降低了摩擦系数。随着纳米颗粒的沉积，摩擦副的表面磨损减小。研究结果对降低能源消耗和环境可持续发展具有重要意义。
[0070]
以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。